Principiul Injectarii Materialelor
Principiul injectării materialelor
Generalități
Injectarea, împreună cu extruderea și calandrarea, constituie principalele tehnici de formare a materialelor plastice. Procesul de formare prin injectare constă în aducerea unui compound macromolecular în stare plastică și introducerea acestuia sub presiune într-o matriță de formare. La o anumită temperatură, materialul plastic se întărește, păstrând forma matriței; aceasta se deschide pentru evacuarea piesei formate și se închide apoi din nou, putându-se relua ciclul de formare. Se obțin produse finite sau semifabricate, cu dimensiuni fixe, imprimate în cavitatea matriței.
La baza formării stau fie procese pur fizice, fie procese chimice, fie combinații ale acestora. Astfel, prin injectare se prelucrează în primul rând materialele termoplastice și, întro mai mică măsură, materialele termoreactive.
Importanța formării prin injectare constă în posibilitatea obținerii unor obiecte cu forme complicate și de mărimi diferite. Se fabrică astfel bunuri de larg consum, articole tehnice, jucării, ambalaje etc. Greutatea produselor variază de la câteva grame până la circa 20 kg . Durata unui ciclu de injectare este de (1÷2) min, la fiecare ciclu putându-se obține unul sau mai multe produse.
Formarea prin injectare poate servi la prelucrarea aproape a tuturor compușilor macromoleculari. În mod curent se prelucrează: polietilena, polipropilena, polistirenul, policlorura de vinil, poliamidele, polimetacrilatul de metil, policarbonații, ABS, derivați de celuloză, elastomeri etc.
La prelucrarea prin injectare, pe de o parte, trebuie să se satisfacă exigențele privind calitatea pieselor, iar pe de altă parte, se impune scurtarea ciclului, spre a reduce costul fabricației. Realizarea acestor deziderate devine posibilă prin construcția unor mașini cu o funcționare extrem de rapidă. De primă importanță este capacitatea de plastifiere a materialului în cilindri și capacitatea de răcire a topiturii în matriță.
Principiul de realizare a operației. Bazele procesului
Prelucrarea prin injectare este un proces ciclic, în timpul căruia are loc succesiunea următoarelor faze:
dozarea materialului plastic în funcție de greutatea piesei injectate;
încălzirea și topirea materialului plastic în cilindrul agregatului de plastifiere;
închiderea matriței;
introducerea materialului plastic sub presiune în cavitatea matriței;
solidificarea și răcirea topiturii;
deschiderea matriței; – eliminarea produsului injectat.
În figura 2.1 sunt reprezentate schematic fazele de comprimare a materialului (a), de injectare (b) și de eliminare a produsului după răcire (c). Se observă că granulele de material plastic din pâlnia de alimentare (6) a mașinii de injectat cad în cilindrul (4). Când melcul (7) este deplasat cu ajutorul sistemului de acționare a mașinii, materialul este comprimat în zona frontală a cilindrului (4) și obligat să vină în contact cu întreaga suprafață interioară a cilindrului, încălzită de rezistențele electrice (5), fapt care determină trecerea sa în fază vâscoplastică.
Fig. 2.1. Principalele faze ale procesului de injectare a materialelor plastice: a – comprimarea materialului; b – injectarea; c – eliminarea produsului injectat.
Materialul, sub forma unei topituri vâscoase și relativ omogene, se injectează prin capul de injectare (3), duza (2) și rețeaua de injectare a matriței (1), în cavitatea acesteia. În contact cu pereții reci ai matriței, topitura se solidifică brusc, luând forma pereților interiori ai cavității matriței. După răcirea piesei, matrița se deschide și piesa (8) este eliminată cu ajutorul sistemului de aruncare.
În timpul procesului se dezvoltă o serie de forțe care exercită presiuni importante asupra materialului. Dintre acestea, cinci sunt hotărâtoare, determinând nivelul calității produsului finit și anume:
presiunea exterioară, reprezentând presiunea exercitată asupra materialului termoplastifiat, în cilindrul de injectare al mașinii;
presiunea interioară, respectiv presiunea din cavitatea matriței închise (presiunea interioară este mai mică decât cea exterioară datorită pierderilor de presiune care apar la trecerea materialului prin secțiuni înguste cum sunt: duza, rețeaua de injectare, pereții interiori din cuibul matriței etc.);
presiunea ulterioară, respectiv presiunea exercitată de pistonul de injectare asupra materialului injectat în cavitatea matriței (această presiune compensează contracția rezultată în urma răcirii materialului);
presiunea de sigilare definită ca presiunea exercitată asupra materialului din cavitatea matriței, în momentul solidificării culeii (acestei presiuni îi corespunde punctul de sigilare); – presiunea interioară remanentă, respectiv presiunea care acționează asupra piesei injectate în momentul începerii deschiderii matriței (după sigilare, materialul se contractă datorită răcirii și în consecință presiunea scade fără însă a atinge valoarea zero).
Fig. 2.2. Variația presiunii interioare în timpul ciclului de injectare: 1 – deplasarea matriței; 2 – deplasarea pistonului.
Variația presiunii interioare în decursul ciclului de injectare poate fi studiată cu ajutorul diagramei presiune-timp, reprezentată în figura 2.2. Conform diagramei, ciclul de injectare cuprinde următoarele etape mai importante:
începerea injectării prin înaintarea pistonului și compactizarea materialului, cavitatea matriței fiind încă neumplută;
creșterea presiunii și umplerea cavității matriței;
creșterea în continuare a presiunii până la atingerea valorii maxime a acesteia; – exercitarea presiunii ulterioare care face ca materialul plastifiat din cavitatea matriței să rămână sub presiune continuă în timpul procesului de solidificare;
începerea solidificării materialului și scăderea presiunii o dată cu sigilarea canalelor de umplere a matriței;
răcirea piesei injectate;
deschiderea matriței și eliminarea din matriță a piesei injectate.
În diagrama din figura 2.2 se observă că presiunea interioară la început crește brusc, apoi, după încetarea presiunii ulterioare, respectiv după sigilare, scade treptat la valoarea presiunii remanente [6, 11].
În general, diferența de presiune între presiunea exterioară de injectare și presiunea interioară din cavitatea matriței depinde de proprietățile materialului termoplastic și de temperatura de injectare, precum și de dimensiunile duzei de injectare, canalelor de injectare, culeii, adică de parametrii rețelei de injectare.
Pentru un anumit material termoplastic, raportul între valoarea presiunii exterioare (de injectare) și a presiunii interioare este influențat în mare măsură de temperatură. Astfel, la temperaturi mai ridicate, viscozitatea topiturii este mai mică, căderea de presiune va fi mai mică și în consecință presiunea interioară crește. Cu alte cuvinte, o dată cu creșterea temperaturii de injectare scade presiunea de injectare necesară asigurării aceleiași presiuni interioare.
Relația între presiunea de injectare și presiunea interioară în funcție de temperatura de injectare în cazul polistirenului, este reprezentată în figura 2.3.
Presiunea de injectare, [MPa]
Fig. 2.3. Presiunea de injectare și interioară la diferite temperaturi
Presiunea interioară dă naștere la o forță care tinde să deschidă matrița în timpul injectării. Din acest motiv, forța de închidere a mașinii trebuie să fie mai mare decât forța interioară, definită prin produsul dintre presiunea interioară și suprafața cavității matriței în planul de separație. Cu cât viscozitatea topiturii este mai mică, cu atât diferența între forța de închidere și forța interioară trebuie să fie mai mare. În cazul injectării cu duză punctiformă, proces care prezintă avantajul de a nu imprima pe suprafața produsului urme inestetice ale zonei de injectare, raportul între presiunea exterioară și cea interioară joacă un rol foarte important. Astfel, în cazul acestui procedeu, secțiunea mică prin care materialul termoplastic pătrunde în cavitatea matriței, provoacă o supraîncălzire a acestuia și respectiv o scădere a presiunii interioare. În acest caz, matrița se sigilează mai repede decât în cazul sistemelor de injectare cu duză normală. Presiunea interioară mai mică nu poate compensa contracția piesei provocată de răcirea acesteia, având în vedere și încălzirea la o temperatură mai mare a materialului datorită trecerii prin secțiunea redusă a duzei punctiforme. Drept consecință, la injectarea punctiformă, contracția piesei injectate este foarte mare, fenomen de care trebuie să se țină seama la proiectarea zonei active a matrițelor pentru a nu se obține deformări nedorite ale produsului finit, mai ales în cazul în care acesta prezintă secțiuni variabile sau pereți groși. Datorită contracției în timpul răcirii, pe suprafața pieselor injectate apar adesea retasuri nedorite. Pentru compensarea acestora, prin acțiunea presiunii ulterioare, matrița se mai alimentează cu material plastifiat. Este important ca până la terminarea sigilării matriței, pe durata asigurării presiunii ulterioare, presiunea exterioară de injectare să aibă valoare maximă. Tot datorită acestui fenomen nedorit, la injectarea pieselor cu pereți groși, trebuie să se aplice în general o temperatură de injectare mai mică și o presiune de injectare mai mare concomitent cu mărimea duratei presiunii ulterioare.
În cazul injectării pieselor cu pereți subțiri, trebuie să se micșoreze atât presiunea de injectare cât și durata de exercitare a presiunii ulterioare, deoarece în acest caz piesa se răcește mai repede, de regulă mai înainte ca presiunea interioară să scadă la valoarea ei minimă. La deschiderea matriței, din această cauză apar tensiuni interne în piesele injectate. La rândul lor, tensiunile interne pot provoca fisurarea pieselor (în cazul materialelor termoplastice mai rigide ca de exemplu a poliesterului) sau deformarea lor (în cazul materialelor mai flexibile cum ar fi polietilena).
Dozarea
Dozarea trebuie să asigure cantitatea corespunzătoare de material plastic pentru umplerea cavității matriței.
Dozarea cât mai exactă este impusă și de restricția ca materialul plastic să fie cât mai puțin solicitat termic, din motive de degradare, ceea ce înseamnă că în volumul cilindrului de plastifiere nu trebuie să rămână material între două cicluri de injectare (la mașinile cu piston). Concordanța dintre volumul piesei injectate și volumul de material plastic injectat în matriță este un alt argument în favoarea dozării cât mai exacte a materialului.
Plastifierea
În interiorul cilindrului mașinii de injectare materialul plastic este adus din stare solidă în stare de topitură cu aport exterior de caldură și prin transformarea energiei mecanice a pistonului sau a melcului în energie termică (prin fricțiunea materialului plastic).
Temperatura materialului plastic în cilindrul mașinii depinde de natura materialului plastic și de tipul mașinii. În ceea ce privește natura materialului, principalul criteriu de clasificare este comportarea termomecanică a materialului plastic sau deformarea acestuia sub sarcină constantă, în funcție de temperatură.
Pentru un material plastic liniar amorf, în diagrama variației deformație-temperatură din figura 2.4, a, se disting trei zone (stări fizice) ale materialului plastic:
starea sticloasă, caracterizată prin deformații elastice foarte mici care cresc liniar o dată cu temperatura; această stare se menține până la punctul de vitrifiere Tv. Stării sticloase îi este proprie o mișcare de vibrație a atomilor ce formează catena polimerică, în jurul poziției lor de echilibru;
starea înalt-elastică (intervalul Tv – Tc), care are ca specific creșterea rapidă a deformației la începutul intervalului, după care deformația ramâne constantă, independent de ridicarea temperaturii. Deformațiile dispar la îndepărtarea forței exterioare. În starea înalt elastică apar mișcări vibratorii ale segmentelor de catenă (vibrații torsionale), ceea ce are ca finalitate flexibilitatea catenelor polimerice. Deformațiile înalt-elastice au caracter de deformații întârziate, care descresc lent în timp după ce a încetat solicitarea exterioară;
starea plastică începe de la punctul corespunzător temperaturii de curgere Tc, iar în cazul materialelor plastice cristaline, de la temperatura de topire. Starea plastică se caracterizează prin deformații permanente ale materialelor plastice; în această stare macromoleculele sunt mobilizate în întregime. Starea plastică poate fi vâscoelastică sau vâscoplastic ă.
Fig. 2.4. Diagrama de stare termomecanică a unui material termoplastic
Tranziția de la o stare fizică la alta nu se face la valori finite de temperatură, ci pe un domeniu a cărui valoare medie se numește temperatură de tranziție. Astfel, temperatura de trecere de la starea sticloasă la cea înalt-elastică (și invers) este temperatura de tranziție sticloasă (sau vitroasă) Tv, iar temperatura de tranziție de la starea înalt-elastică la starea vâscoplastică și invers este temperatura de curgere Tc. Substanțele amorfe micromoleculare și cele macromoleculare cu masă moleculară joasă trec direct din starea sticloasă în stare lichidă, cele macromoleculare trec însă mai întâi prin starea înalt-elastică și numai după aceea în stare vâscoelastică.
În figura 2.4, Td este temperatura de degradare termică a materialului plastic, reprezentând valoarea maximă la care poate funcționa mașina de injectat.
Starea sticloasă reprezintă forma obișnuită a materialelor plastice în stare solidă, ea fiind determinată de dezordinea catenelor polimerice lungi care reduc capacitatea de trecere a materialelor plastice în stare cristalină, chiar dacă cristalizarea este posibilă termodinamic.
Există pentru fiecare material plastic un interval restrâns de temperatură în care cele mai multe proprietăți fizice suferă variații importante; aceste variații corespund trecerii de la starea sticloasă la starea înalt-elastică, temperatura de tranziție sticloasă fiind unul dintre parametrii cei mai importanți ai unui material plastic amorf. Privită din punct de vedere termodinamic, temperatura de tranziție sticloasă prezintă caracteristicile tranzițiilor de fază de ordinul doi, adică energia internă și volumul specific variază continuu (nu se absoarbe și nu se degajă energie), însă capacitatea calorică, compresibilitatea, coeficientul de degradare termică și modulul de elasticitate variază brusc la punctul de tranziție.
Tranziția sticloasă poate fi explicată prin teoria volumului liber de material plastic, prin teoria echilibrului sau prin teoria de relaxare a golurilor [11, 20].
Temperatura de tranziție sticloasă determină limita inferioară a folosirii unui elastomer și limita superioară de utilizare a unui material plastic. Valoarea Tv este determinată de structura materialului plastic și crește odată cu masa moleculară.
În figura 2.4, termenul Tb are semnificația de temperatură de fragilizare și reprezintă temperatura minimă până la care materialul nu este casant. Practic Tb este temperatura la care o epruvetă din material plastic supusă unei solicitări instantanee de o anumită intensitate se rupe. Valoarea temperaturii de fragilizare depinde de orientarea macromoleculei (Tb este mai mic la un grad de orientare mai mare al materialului plastic) și de condițiile de determinare a valorii Tb.
Temperatura de curgere reprezintă punctul la care energia cinetică a macromoleculelor învinge forțele de coeziune moleculară, ceea ce permite mișcarea lor relativă de alunecare. Temperatura Tc nu reprezintă o valoare fixă, ci un interval caracteristic fiecarui tip de material plastic și se situează la interfața stării înalt-elastice și a stării vâscoplastice; variația în funcție de temperatură a componentei reversibile a deformației este dată de curba (2) din figura 2.4. Valoarea Tc crește cu gradul de polimerizare, iar pentru materialele plastice care prezintă o dispersie a masei moleculare, Tc se transformă într-un interval.
Temperatura de topire este caracteristică materialelor plastice cristaline și reprezintă trecerea de la starea cristalină solidă la starea lichidă. Materialele plastice amorfe nu au temperatură de topire bine definită, spre deosebire de cele cristaline; materialele plastice semicristaline se caracterizează atât prin temperatură de topire, cât și prin cea de vitrifiere. În cazul materialelor plastice cristaline, la Tc au loc transformări de fază cu variația bruscă a unor proprietăți termodinamice ca: volumul specific și căldura specifică.
Modificarea volumului specific odată cu temperatura se explică prin dispariția rețelei cristaline și creșterea distanțelor intermoleculare.
Fig. 2.5. Diagrama stabilității termice a PVC
A – domeniul stării sticloase; B – domeniul stării înalt-elastice; C – domeniul stării de topitură
(curgere vâscoasă); D – domeniul optim pentru prelucrare; E, F, G, H – domenii de degradare termică a materialului plastic; MP – domeniul de prelucrare prin injectare cu mașini cu melc- piston; P – domeniul de prelucrare prin injectare cu mașini cu piston.
La temperatura de degradare termică Td, începe descompunerea materialului plastic sub influența căldurii. Td depinde de durata solicitării termice, de gradul de polimerizare și de structura materialului plastic. În figura 2.5, se prezintă un exemplu de alegere a tehnologiei de injectare în funcție de caracteristicile de degradare termică a PVC.
Plastifierea materialului plastic în mașina de injectare se realizează prin transmiterea căldurii de la pereții cilindrului. Diferența de temperatură dintre cilindru și materialul plastic trebuie să aibă valori mari, justificate de conductibilitatea termică scăzută a materialelor plastice. Topirea este favorizată și de grosimea cât mai mică a stratului de material plastic din cilindrul de injectare.
Regimul de temperaturi în lungul cilindrului de plastifiere, depinde de natura materialelor plastice. Pentru materialele plastice cristaline, căldura specifică variază în funcție de temperatură, ca în figura 2.6; saltul brusc observat la Tt corespunde transformării fazei solide în fază lichidă, iar această căldură latentă (care la PA 6.6 reprezintă 16% din totalul căldurii necesare procesului de injectare [11]) nu mai poate fi asigurată numai prin transfer în cilindrul mașinii, ci și cu ajutorul melcului, prin transformarea energiei mecanice în energie termică.
Fig. 2.6. Temperatura și căldura specifică a materialelor plastice semicristaline
La materialele plastice amorfe necesarul de căldură variază mai lent, ceea ce înseamnă că același agregat de plastifiere poate plastifia mai mult material plastic amorf decât material plastic cristalin.
Valorile de temperatură recomandate pentru injectarea unor materiale plastice (vezi Capitolul 3) reprezintă temperatura măsurată în jetul de topitură la ieșirea din duză. Dinamica temperaturii de-a lungul cilindrului include topirea materialului plastic și încălzirea în continuare a acestuia (valoarea Ts), pe seama fricțiunii mecanice a topiturii în ajutaj.
Închiderea matriței
Forța de închidere a matriței trebuie să fie mai mare decât forța de distanțare creată de presiunea topiturii de material plastic din matriță. Relația dintre cele două forțe este
Fînchidere =(1,2 ÷1,3)⋅Fdistanțare [daN]. (2.1)
Forța de distanțare se calculează cu relația
Fdistanțare =K⋅P⋅A [daN], (2.2)
unde:
K este coeficient ce variază ca valoare în intervalul (0,3÷0,5), pentru materialele termoplastice injectate cu agregat de plastifiere cu piston și între (0,5÷0,7), pentru cele injectate cu agregate cu melc – piston;
P – presiunea de injectare a topiturii, în [daN/cm2];
A – aria proiecției piesei pe planul de separație al matriței, în [cm2].
Ca ordin de mărime, presiunea de injectare a topiturii variază între (1÷2)·103 daN/cm2, valoarea scăzând pe măsură ce jetul de topitură se îndepărtează de punctul de intrare în matriță. Evoluția presiunii este exponențială cu distanța de măsurare, după relația
– kx
Px = P ⋅ e [daN/cm2], (2.3)
în care:
Px este presiunea topiturii la distanța x față de orificiul de intrare;
P – presiunea de injectare la cota x = 0;
K are valori diferite funcție de temperatură, de exemplu:
k1= 0,035 pentru T=280°C; k2 = 0,06 pentru T=200°C.
Calcularea corectă a forței de închidere face să nu apară bavuri, pierderi de agent de expandare și defecte ale suprafeței pieselor injectate (când forța de închidere nu compensează forța de injectare) sau să se consume energie în mod inutil, în cazul supradimensionării forței de închidere. Informativ se indică o forță de închidere de 700 daN pentru fiecare (cm2) de suprafață proiectată pe planul de separare pentru o piesă injectată din PA 6.6.
Introducerea materialului plastic sub presiune în matriță
Sub acțiunea presiunii pistonului sau a melcului piston, materialul plastic topit trece din cilindrul de încălzire, prin duză și canale, în cavitatea matriței. Presiunea topiturii scade pe circuit de la (1÷2)·103 daN/cm2, până la o presiune apropiată de cea atmosferică (în momentul deschiderii matriței). Scăderea finală a presiunii se datorează rezistenței hidraulice a traseului și întăririi materialului plastic. Presiunea maximă în matriță apare la sfârșitul cursei pistonului și depinde de presiunea realizată de acesta, de temperatura materialului și de configurația geometrică a traseului. Alți factori suplimentari sunt: viscozitatea topiturii, rugozitatea suprafețelor prin care circulă materialele plastice, geometria canalelor de curgere.
T0 Tr i Temperatura
Fig. 2.7. Diagrama ciclului de injectare în coordonate presiune – temperatură
Analitic, dinamica presiunilor se prezintă ca în figura 2.7, în care spațiul marcat de curbele LM și Lm reprezintă timpul maxim și minim de umplere a matriței, stabilit în funcție de calitatea piesei injectate și de performanțele mașinilor de injectare. Temperatura este jalonată de linia de sigilare Ls, ce corespunde momentului în care circulația topiturii de material plastic prin canalul de umplere se întrerupe din cauza întăririi materialului, la temperatura matriței T0. Evoluția presiunii este ascendentă în faza de umplere a matriței (zona i – j), rămâne apoi constantă (j – k) în faza de compresie, când cavitatea matriței s-a umplut cu material plastic (care începe apoi să se răcească); presiunea se menține constantă prin introducere continuă de material plastic proaspăt topit. Materialul plastic nou introdus este egal volumetric cu contracția topiturii din cavitatea matriței. Se impune ca punctul j, de începere a fazei de compresie, să fie situat pe linia Lm. Acesta corespunde punctului de sigilare, când injectarea materialului plastic se întrerupe. Răcirea după sigilare sau faza de răcire sigilată corespunde zonei (e – m). În final presiunea din matrița închisă are valoarea Pr
(presiune remanentă care are pe diagramă un corespondent în temperatura materialului – Tr ) [6, 7, 8, 11]. Dacă se reprezintă presiunea în matriță ca variație în timp, pot fi evidențiate fazele proceselor fizice ce au loc în matriță.
a b tS Timp
Fig. 2.8. Diagrama ciclului de injectare în coordonate presiune – timp
Pe diagrama din figura 2.8, se disting patru zone, și anume:
zona (a – b) (faza de umplere a matriței) în care temperatura este constantă;
zona (b – c), pe măsură ce cavitatea se umple cu material plastic, presiunea crește, timpul t1 – t0 fiind caracteristic fazei de umplere;
în zona (c – d) (faza de compresie), similar zonei (k – j) din figura 2.7, presiunea rămâne constantă, materialul plastic se răcește, volumul scade și densitatea crește. Presiunea se menține constantă pe seama adaosului de material plastic topit din cilindrul sau acumulatorul mașinii, iar temperatura scade în intervalul (t2 – t1), când se elimină o mare cantitate de căldură.
După cum se observă din diagrama Cp – T (fig. 2.9), întreaga cantitate de căldură preluată de materialul plastic în timpul procesului de plastifiere corespunde suprafeței hașurate.
Căldura ce se pierde în matriță (preluată în timpul procesului de formare) reprezintă suprafața delimitată de conturul punctele (Tf – Tt – b – c – d).
În faza de compresie, corespunzătoare intervalului (t2 – t1) din figura 2.8, se preia de către agentul de răcire căldura din zona (Tf – Tt) și (c – d). Punctul Tt din diagrama Cp – T (fig.
2.9) corespunde punctului t3 din diagrama 2.8. Tt este punctul de sigilare, iar palierul (c – d), reprezintă faza de sigilare. În acest moment presiunea scade accentuat, deoarece se întrerupe introducerea materialului plastic în matriță; din punct de vedere termodinamic sistemul se situează la echilibru între fazele lichidă și solidă.
Fig. 2.9. Căldura evacuată din matriță:
Tc – temperatura de cristalizare; Tt – temperatura de topire; T0, Tf – temperatura inițială și finală a materialului plastic.
Considerând că faza de umplere a matriței se face izoterm iar faza de compresie începe după ce umplerea s-a terminat, se poate analiza atât umplerea la presiune constantă și debit variabil, cât și umplerea la presiune variabilă și debit constant.
Analizând umplerea la presiune constantă se poate calcula poziția frontului de topitură și debitul volumetric în funcție de timp. Se presupune că fluidul este incompresibil și nenewtonian, de tip Ostwald de Waele. Umplerea are loc la presiunea constantă Puf [11]. Pentru o matriță de forma unui canal cilindric circular cu secțiune liberă, a cărui geometrie este reprezentată în figura 2.10, debitul volumetric este dat de relația [11]
⎛ π⋅R3 ⎞ ⎡ ε
Dv(t) = ⎜⎝ ⎜ ε + 3 ⎟⎠⎟ ⎣⎢2⋅Rm⋅⋅PZuf(t)⎥⎤ ⎦ , (2.4)
unde poziția frontului de topitură la momentul t este
t
∫Dv(t)dt
Z(t)= volum de topitura = 0 2 , (2.5) sectiunea de curgere π R
ε – inversul numărului de curgere, n; m- indicele de consistență.
Dacă se derivează ecuația (2.5) în raport cu timpul, se obține viteza de curgere [7, 8,
11]
vz(t)= dZdt(t) = πD⋅vR (t2) . (2.6)
Se substituie ecuația (2.4) în (2.6) și se integrează cu următoarele condiții la limită:
C.L.1 – t = 0, Z(t) = 0 , la momentul inițial matrița nu conține topitură de material plastic;
C.L.2 – t = t , Z = Z(t), la timpul curent t poziția frontului de topitură este la Z(t), și se obține lungimea de pătrundere a frontului de topitură [9, 11]
Z(t)= ⎡⎢⎣ εε++13⎤⎦⎥ R⎜⎝⎛ P2ufm ⎞⎟⎠ . (2.7)
Conform ecuației (2.7), rezultă că lungimea de pătrundere a frontului de topitură este proporțională cu raza cuibului R. Expresia debitului volumetric se obține înlocuind relația (2.7) în (2.4)
Dv (t)= ⎜⎜⎝ ⎛ πεR+13 ⎟⎟⎠⎞ ⎡⎢⎣εε++13⎤⎥⎦ ⎛⎜⎝ P2ufm ⎞⎟⎠ . (2.8)
Analizând ecuația (2.7) rezultă că raportul lungimilor de pătrundere pentru aceeași topitură în două matrițe cu raze diferite Z1 /Z2 = R1 /R2 este dependent numai de geometria matriței și nu de comportarea reologică a topiturii [1, 4, 11].
Fig. 2.11. Variația lungimii de pătrundere a frontului de topitură în timp
În figurile 2.11 și 2.12 se prezintă variația lungimii de pătrundere a frontului de topitură și a debitului volumetric în timp pentru câteva materiale plastice [4].
Dv,
Fig. 2.12. Variația debitului volumetric în timp
Pentru situația în care se consideră debitul volumetric de topitură constant iar presiunea variabilă în timp, geometria curgerii este reprezentată în figura 2.13, matrița este sub formă de disc, cu H << R1.
Fig. 2.13. Geometria curgerii topiturii într-un cuib cilindric
În figurile 2.14 și 2.15 se prezintă variația presiunii și razei frontului de topitură în timp pentru câteva materiale plastice.
Fig. 2.14. Variația presiunii în timp
Fig. 2.15. Variația razei frontului de topitură în timp
Faza de compactare (compresie) are loc la presiune constantă. Materialul plastic are tendința de solidificare cu scăderea volumului și creșterea densității. Pentru a menține presiunea constantă se mai introduce topitură în matriță.
Cavitatea matriței se consideră plină cu topitură de material plastic și se pune problema studiului procesului de solidificare a materialului plastic. Formarea crustei de material plastic solid la contactul cu suprafața matriței este reprezentată în figura 2.16. O reprezentare reală a procesului este ilustrată în figura 2.17 și este cunoscută sub numele de efectul Fountain [4, 11, 13].
Fig. 2.16. Formarea crustei de material plastic solid în cuibul matriței
Fig. 2.17. Efectul Fountain
Ecuația se aplică atât pentru stratul de topitură cât și pentru cel de crustă, utilizând proprietățile fizice pentru fiecare caz în parte. Dificultatea rezolvării ecuației constă în faptul că trebuie cunoscut profilul inițial al temperaturii în topitură. Dacă se presupune că topitura se află la momentul inițial la temperatura de topire Tt, ecuația (2.22) este aproximativ satisfăcută de următorul profil al temperaturii în zona de material plastic solid
Deoarece condiția la limită este o problemă de frontieră mobilă, se scrie ecuația de bilanț de căldură la interfața topitură – solid impunând condiția limită C.L.1: y = h; ωr = λs ∂T/ ∂y; la interfața topitură – solid, fluxul de căldură cedat prin solidificare este egal cu cel transferat prin mecanisme conductive prin crusta de material plastic, unde ω reprezintă debitul de topitură care se solidifică pe unitatea de arie; r – căldura latentă de solidificare.
Revenind la figura 2.9, căldura depozitată în zona (Tc – T0 – a – b) rămâne să fie preluată în interiorul matriței după ejectarea piesei, deoarece răcirea în continuare în matriță nu mai este economică. Răcirea în această etapă se face cu aer sau apă.
Tr corespunde temperaturii de cristalizare pentru materialele plastice cristaline și este unul din parametrii ce caracterizează procesul de injectare. Între acești parametri se include și punctul Ps , important pentru calitatea produsului finit. La materialele plastice cu viscozitate foarte mică, presiunea de sigilare are valori mici, ceea ce ar duce la scăderea presiunii în matriță și o calitate slabă a pieselor injectate. De aceea, pe canalul de alimentare al matriței se amplasează un ventil de reținere, astfel încât curgerea topiturii are un singur sens, spre matriță și, în acest caz (fig. 2.8), punctul de sigilare e va coincide cu punctul d, faza răcirii sigilate fiind în acest caz dreapta (d – f).
Se consideră reprezentativ pentru această fază conducția căldurii la suprafața rece, până la completa solidificare a fazei lichide și răcirea acesteia în continuare până la o temperatură finală acceptabilă. Variația presiunii corespunzătoare fazei de răcire în funcție de timp este reprezentată în figura 2.18. Se constată variația aproximativ liniară a presiunii în raport cu timpul [11, 20, 21].
Timp, [s]
Fig. 2.18. Variația presiunii în timpul fazei de răcire
Capacitatea de injectare a unui material plastic
Injectabilitatea exprimă capacitatea unui material plastic de a fi prelucrat la anumiți parametri prin injectare. Parametrii specifici trebuie înțeleși sub forma unor criterii de acceptabilitate stabilite în funcție de tipul de material și de mașină.
Criteriile de acceptabilitate ar putea fi [1, 3, 11, 20, 21]:
rigiditatea;
capacitatea de demulare;
calitatea suprafeței piesei;
compatibilitatea cu geometria cavității matriței;
inducerea de tensiuni mecanice minime în materialul plastic solidificat.
Primele două criterii se regăsesc în diagrama presiune – temperatură a ciclului de injectare (vezi fig. 2.7) iar următoarele două se stabilesc prin proiectarea produsului și matriței.
În cadrul parametrilor de proces, durata ciclului de injectare stabilește atât productivitatea operației de injectare cât și corelarea unor caracteristici de temperatură și presiune din sistem, cu geometria canalelor de curgere a materialelor plastice.
FUNCȚIONAREA MATRIȚELOR PENTRU INJECTAREA
Generalități
O dată cu dezvoltarea și diversificarea continuă a producției bunurilor de consum din materiale plastice, industria producătoare de materiale plastice a fost confruntată cu probleme noi în ceea ce privește creșterea productivității muncii și ridicarea nivelului calitativ al producției. O parte importantă a acestei probleme o constituie proiectarea și construcția corectă a matrițelor de injectat, factor hotărâtor în obținerea unor piese din materiale plastice de calitate corespunzătoare [3, 4, 5].
Varietatea deosebit de mare a produselor injectate din materiale plastice a condus la elaborarea unor soluții constructive și tehnologice specifice atât în domeniul proiectării cât și în cel al execuției matrițelor de injectat. Acestea sunt, în general, scule foarte scumpe și pretențioase care necesită, pentru confecționare, oțeluri speciale, prelucrări cu mașini-unelte de precizie, ajustări foarte fine, cu consum mare de manoperă și în cele mai numeroase cazuri, forță de muncă de înaltă calificare [7, 8, 9].
Construcție și funcționare
Matrițele pentru injectat materiale plastice sunt constituite, în principiu, din două părți principale: semimatrița care vine în contact cu duza și semimatrița care conține sistemul de eliminare a produsului finit. Cele două semimatrițe sunt fixate pe platourile de prindere ale mașinii de injectat, fie direct, prin șuruburi de fixare care pătrund în alezajele filetate ale plăcilor de prindere ale matriței, fie prin intermediul unor bride de fixare. Planul în care se deschid semimatrițele se numește plan de separație [2, 6, 10, 11, 12, 13].
– cu injectare printr-un orificiu perpendicular pe planul de separație;
– cu injectare în planul de separație; c – cu injectare specială (bicomponentă); 1 – matriță de injectare; 2 – capul de injectare al mașinii.
Matrițele de injectat materiale plastice pot lucra pe mașini orizontale (cazul cel mai frecvent), verticale sau pe mașini cu unitate de injectare rabatabilă la 90°. În principal, se deosebesc trei tipuri de matrițe de injectat (figura 5.1, a, b și c) și anume:
matrițe de injectat cu orificiu de umplere a cavității, perpendicular pe planul de separație (fig. 5.1, a);
matrițe de injectat cu orificiul de umplere a cavității în planul de separație (fig. 5.1, b).
matrițe de injectat cu injectare bicomponentă (fig. 5.1, c).
Majoritatea matrițelor lucrează folosind injectarea materialului plastic topit printr-un orificiu perpendicular pe planul de separație, acest tip de matriță putând fi montată atât pe mașini de injectat orizontale cât și pe cele verticale. Injectarea în planul de separație se folosește mai rar, de regulă numai pentru piese plane mici, aceste matrițe putând lucra numai pe mașini de injectat verticale sau pe cele cu unitatea de injectare rabatabilă.
În figura 5.2 este prezentată o matriță de injectat cu două cuiburi, care cuprinde majoritatea elementelor componente întâlnite în construcția matrițelor de injectat. Este utilizată pentru injectarea unei game largi de produse, cu condiția ca acestea să fie prevăzute cu conicități corespunzătoare. Funcționarea matriței se bazează pe deschiderea pachetului de plăci ce o alcătuiesc, în două plane de separație.
După injectare, matrița se deschide mai întâi în planul de separație (I-I). În timpul acestei faze, produsul este extras din locașul de formare (1). Concomitent, elementul de reținere (3) extrage culeea din duza (11). Desprinderea produsului de pe miezul (2) are loc în timpul deschiderii în planul de separație (II-II) și este efectuată de placa extractoare (10), în urma tamponării tijei centrale (6) în opritorul mașinii de injectat. Legătura între tija centrală (6) și placa extractoare (10) se face prin intermediul discurilor (4) și (5) și a tijelor intermediare (7). Miezul (2) este fixat între plăcile (8) și (9). Deschiderea matriței în planul de separație (II-II) poate fi reglată prin modificarea poziției șurubului tampon de la opritorul mașinii de injectat.
Fig. 5.2. Matriță pentru injectat ″Piesă tronconică″
Soluțiile constructive adoptate pentru o matriță de injectat, chiar și dintre cele mai simple, pot fi diferite de exemplul dat. Astfel, în special în cazul matrițelor cu un singur cuib, poansoanele de formare pot fi practicate direct în plăcile respective. În acest caz, placa portpoanson are denumirea de placă de formare. Readucerea sistemului de aruncare în poziția inițială poate fi de asemenea asigurată cu ajutorul unor știfturi și a unor arcuri elicoidale, iar centrarea poziției reciproce a diferitelor plăci ale matriței de injectat se poate realiza cu ajutorul unor bucșe de centrare în loc de știfturi de centrare.
De asemenea, în cazul matrițelor mai complexe, în funcție de sistemul de aruncare, sistemul de deschidere, sistemul de injectare etc., apar în plus o serie de alte elemente componente specifice soluțiilor constructive adoptate.
Condițiile de bază impuse pentru o matriță de injectat utilizată la fabricarea pieselor din materiale plastice de calitate superioară, în condiții economice optime, sunt următoarele: – să permită aplicarea unei tehnologii de injectare adecvată, cât mai simplă, care asigură realizarea pieselor injectate cu deșeuri minime și într-o formă cât mai apropiată de forma finită a produselor, în așa fel, încât să nu mai fie necesară executarea unor operații de prelucrare ulterioară;
să corespundă mașinii de injectat pentru care a fost concepută. Performanțele tehnlogice ale mașinii ca, de exemplu: capacitatea de injectare, suprafața frontală de injectare, forța de închidere, viteza de lucru, presiunea de injectare, cursa platoului mobil de prindere etc., să fie utilizate cu randament maxim, iar masa materialului plastic injectat, într-un ciclu de lucru, să fie cât mai apropiată de capacitatea mașinii;
să fie astfel concepută și executată încât să asigure productivitate ridicată fără reparații mari sau înlocuiri ale elementelor active;
să lucreze în ciclu automat, permițând astfel operatorului deservirea concomitentă a mai multe mașini de injectat;
să poată fi executată cu costuri cât mai scăzute, fără ca prin aceasta să se prejudicieze calitatea produselor și durata ei de utilizare fără reparații;
la conceperea și executarea ei să se utilizeze cât mai multe elemente componente tipizate interschimbabile în vederea reducerii timpului și cheltuielilor de execuție.
Clasificarea matrițelor de injectat materiale plastice
Având în vedere varietatea foarte mare a formei pieselor injectate din materiale plastice, matrițele de injectat se pot clasifica după mai multe criterii și anume:
După numărul de cuiburi, matrițele pot fi:
matrițe cu un singur cuib;
matrițe cu două cuiburi;
matrițe cu mai multe cuiburi (3, 4, 5 etc.);
După sistemul de injectare, matrițele se clasifică astfel:
cu injectare directă prin culee;
cu injectare punctiformă;
cu injectare prin canale de distribuție;
cu injectare peliculară sau film;
cu injectare tip umbrelă;
cu injectare inelară;
cu injectare prin canal tunel;
cu injectare prin canale izolate;
cu injectare prin canale încălzite;
După numărul planelor de separație, matrițele se clasifică astfel:
cu un singur plan de separație;
cu două plane de separație;
cu mai multe plane de separație;
După modalitatea de acționare a sistemului de aruncare, matrițele pot fi:
cu aruncare mecanică; – cu aruncare pneumatică;
cu aruncare hidraulică;
După modalitatea constructivă de realizare a matriței în funcție de forma piesei, matrițele sunt:
simple;
cu bacuri;
cu deșurubare;
cu mai multe plane de separație.
Există și alte criterii de clasificare a matrițelor de injectat, însă de mai mică importanță (forma piesei injectate, tipul de aruncătoare, sistemul de încălzire etc.).
FUNCȚIONAREA MATRIȚELOR PENTRU INJECTAREA
Generalități
O dată cu dezvoltarea și diversificarea continuă a producției bunurilor de consum din materiale plastice, industria producătoare de materiale plastice a fost confruntată cu probleme noi în ceea ce privește creșterea productivității muncii și ridicarea nivelului calitativ al producției. O parte importantă a acestei probleme o constituie proiectarea și construcția corectă a matrițelor de injectat, factor hotărâtor în obținerea unor piese din materiale plastice de calitate corespunzătoare [3, 4, 5].
Varietatea deosebit de mare a produselor injectate din materiale plastice a condus la elaborarea unor soluții constructive și tehnologice specifice atât în domeniul proiectării cât și în cel al execuției matrițelor de injectat. Acestea sunt, în general, scule foarte scumpe și pretențioase care necesită, pentru confecționare, oțeluri speciale, prelucrări cu mașini-unelte de precizie, ajustări foarte fine, cu consum mare de manoperă și în cele mai numeroase cazuri, forță de muncă de înaltă calificare [7, 8, 9].
Construcție și funcționare
Matrițele pentru injectat materiale plastice sunt constituite, în principiu, din două părți principale: semimatrița care vine în contact cu duza și semimatrița care conține sistemul de eliminare a produsului finit. Cele două semimatrițe sunt fixate pe platourile de prindere ale mașinii de injectat, fie direct, prin șuruburi de fixare care pătrund în alezajele filetate ale plăcilor de prindere ale matriței, fie prin intermediul unor bride de fixare. Planul în care se deschid semimatrițele se numește plan de separație [2, 6, 10, 11, 12, 13].
– cu injectare printr-un orificiu perpendicular pe planul de separație;
– cu injectare în planul de separație; c – cu injectare specială (bicomponentă); 1 – matriță de injectare; 2 – capul de injectare al mașinii.
Matrițele de injectat materiale plastice pot lucra pe mașini orizontale (cazul cel mai frecvent), verticale sau pe mașini cu unitate de injectare rabatabilă la 90°. În principal, se deosebesc trei tipuri de matrițe de injectat (figura 5.1, a, b și c) și anume:
matrițe de injectat cu orificiu de umplere a cavității, perpendicular pe planul de separație (fig. 5.1, a);
matrițe de injectat cu orificiul de umplere a cavității în planul de separație (fig. 5.1, b).
matrițe de injectat cu injectare bicomponentă (fig. 5.1, c).
Majoritatea matrițelor lucrează folosind injectarea materialului plastic topit printr-un orificiu perpendicular pe planul de separație, acest tip de matriță putând fi montată atât pe mașini de injectat orizontale cât și pe cele verticale. Injectarea în planul de separație se folosește mai rar, de regulă numai pentru piese plane mici, aceste matrițe putând lucra numai pe mașini de injectat verticale sau pe cele cu unitatea de injectare rabatabilă.
În figura 5.2 este prezentată o matriță de injectat cu două cuiburi, care cuprinde majoritatea elementelor componente întâlnite în construcția matrițelor de injectat. Este utilizată pentru injectarea unei game largi de produse, cu condiția ca acestea să fie prevăzute cu conicități corespunzătoare. Funcționarea matriței se bazează pe deschiderea pachetului de plăci ce o alcătuiesc, în două plane de separație.
După injectare, matrița se deschide mai întâi în planul de separație (I-I). În timpul acestei faze, produsul este extras din locașul de formare (1). Concomitent, elementul de reținere (3) extrage culeea din duza (11). Desprinderea produsului de pe miezul (2) are loc în timpul deschiderii în planul de separație (II-II) și este efectuată de placa extractoare (10), în urma tamponării tijei centrale (6) în opritorul mașinii de injectat. Legătura între tija centrală (6) și placa extractoare (10) se face prin intermediul discurilor (4) și (5) și a tijelor intermediare (7). Miezul (2) este fixat între plăcile (8) și (9). Deschiderea matriței în planul de separație (II-II) poate fi reglată prin modificarea poziției șurubului tampon de la opritorul mașinii de injectat.
Fig. 5.2. Matriță pentru injectat ″Piesă tronconică″
Soluțiile constructive adoptate pentru o matriță de injectat, chiar și dintre cele mai simple, pot fi diferite de exemplul dat. Astfel, în special în cazul matrițelor cu un singur cuib, poansoanele de formare pot fi practicate direct în plăcile respective. În acest caz, placa portpoanson are denumirea de placă de formare. Readucerea sistemului de aruncare în poziția inițială poate fi de asemenea asigurată cu ajutorul unor știfturi și a unor arcuri elicoidale, iar centrarea poziției reciproce a diferitelor plăci ale matriței de injectat se poate realiza cu ajutorul unor bucșe de centrare în loc de știfturi de centrare.
De asemenea, în cazul matrițelor mai complexe, în funcție de sistemul de aruncare, sistemul de deschidere, sistemul de injectare etc., apar în plus o serie de alte elemente componente specifice soluțiilor constructive adoptate.
Condițiile de bază impuse pentru o matriță de injectat utilizată la fabricarea pieselor din materiale plastice de calitate superioară, în condiții economice optime, sunt următoarele: – să permită aplicarea unei tehnologii de injectare adecvată, cât mai simplă, care asigură realizarea pieselor injectate cu deșeuri minime și într-o formă cât mai apropiată de forma finită a produselor, în așa fel, încât să nu mai fie necesară executarea unor operații de prelucrare ulterioară;
să corespundă mașinii de injectat pentru care a fost concepută. Performanțele tehnlogice ale mașinii ca, de exemplu: capacitatea de injectare, suprafața frontală de injectare, forța de închidere, viteza de lucru, presiunea de injectare, cursa platoului mobil de prindere etc., să fie utilizate cu randament maxim, iar masa materialului plastic injectat, într-un ciclu de lucru, să fie cât mai apropiată de capacitatea mașinii;
să fie astfel concepută și executată încât să asigure productivitate ridicată fără reparații mari sau înlocuiri ale elementelor active;
să lucreze în ciclu automat, permițând astfel operatorului deservirea concomitentă a mai multe mașini de injectat;
să poată fi executată cu costuri cât mai scăzute, fără ca prin aceasta să se prejudicieze calitatea produselor și durata ei de utilizare fără reparații;
la conceperea și executarea ei să se utilizeze cât mai multe elemente componente tipizate interschimbabile în vederea reducerii timpului și cheltuielilor de execuție.
Clasificarea matrițelor de injectat materiale plastice
Având în vedere varietatea foarte mare a formei pieselor injectate din materiale plastice, matrițele de injectat se pot clasifica după mai multe criterii și anume:
După numărul de cuiburi, matrițele pot fi:
matrițe cu un singur cuib;
matrițe cu două cuiburi;
matrițe cu mai multe cuiburi (3, 4, 5 etc.);
După sistemul de injectare, matrițele se clasifică astfel:
cu injectare directă prin culee;
cu injectare punctiformă;
cu injectare prin canale de distribuție;
cu injectare peliculară sau film;
cu injectare tip umbrelă;
cu injectare inelară;
cu injectare prin canal tunel;
cu injectare prin canale izolate;
cu injectare prin canale încălzite;
După numărul planelor de separație, matrițele se clasifică astfel:
cu un singur plan de separație;
cu două plane de separație;
cu mai multe plane de separație;
După modalitatea de acționare a sistemului de aruncare, matrițele pot fi:
cu aruncare mecanică; – cu aruncare pneumatică;
cu aruncare hidraulică;
După modalitatea constructivă de realizare a matriței în funcție de forma piesei, matrițele sunt:
simple;
cu bacuri;
cu deșurubare;
cu mai multe plane de separație.
Există și alte criterii de clasificare a matrițelor de injectat, însă de mai mică importanță (forma piesei injectate, tipul de aruncătoare, sistemul de încălzire etc.).
ALEGEREA MATERIALELOR PENTRU CONFECȚIONAREA
MATRIȚELOR DE INJECTAT
Generalități
Costul materialelor nu are o pondere însemnată în costul total al matrițelor de injectat, astfel încât există tendința să se alegă pentru piesele componente ale matriței, oțeluri aliate scumpe, în speranța că astfel durabilitatea va fi maximă [6, 7, 9, 10].
Alegerea necorespunzătoare a materialelor poate să conducă la necesitatea efectuării unor operații suplimentare chiar în cursul asamblării matriței, datorită deformărilor, fisurilor și altor defecțiuni ale pieselor componente care apar la prelucrare și după aplicarea tratamentelor termice, ca urmare a alegerii greșite a oțelurilor. Urmările sunt și mai grave în exploatarea matrițelor. Deformările și uzura prematură ale unor repere componente ale matriței, care apar în timpul exploatării, determină obținerea unor piese injectate cu bavuri, deformate și cu alte defecțiuni de suprafață. Astfel, necesitatea reparării frecvente a matrițelor de injectat determină reducerea substanțială a productivității.
Alegerea corectă a oțelurilor pentru confecționarea reperelor matrițelor de injectat și prescrierea adecvată a tratamentelor termice sunt tot atât de importante în proiectarea matrițelor de injectat ca și găsirea celor mai bune soluții tehnologice și constructive. Cunoscând modul de desfășurare a procesului de injectare în intimitatea sa, pot fi stabilite proprietățile materialelor din care trebuie confecționate elementele componente ale matriței astfel încât să fie satisfăcute cerințele impuse acestor materiale [8, 10, 14, 15, 16].
Piesele aflate în contact și în mișcare relativă cu materialul plastic trebuie să aibă o mare rezistență la uzură, respectiv o duritate corespunzătoare. Seriile de fabricație ale produselor injectate sunt, de regulă, de la aproximativ cinci mii până la câteva milioane de bucăți, la care matrița de injectat trebuie să reziste fără a depăși uzura admisă, pentru a nu fi necesară repararea ei. Părțile active trebuie să aibă duritate superficială mare, care, în multe cazuri, trebuie să aibă și valori diferite, pentru ca uzura să fie mai accentuată la piesele care sunt mai ușor de confecționat.
Pe lângă rezistența ridicată la uzură, oțelurile folosite pentru confecționarea acestor piese trebuie să asigure și o tenacitate bună în miez, deoarece, în multe cazuri, presiunile interioare de injectare ating valori ridicate. Rezistența în miez a oțelurilor utilizate pentru confecționarea părților active ale matriței trebuie să fie de minimum 80 daN/mm2 [1, 2, 3, 8]. Oțelurile folosite pentru confecționarea părților active trebuie să se deformeze cât mai puțin la tratamentele termice, deoarece deformarea accentuată a pieselor după tratamentul termic necesită executarea unor operații de rectificare foarte costisitoare. Pentru evitarea deformărilor mari, piesele active trebuie să aibă secțiuni cât mai uniforme, iar pentru confecționarea lor trebuie alese oțeluri care, după călire, se răcesc în ulei sau aer. În cazul în care se cere o mare precizie dimensională și de formă, mai ales la piese cu secțiuni variabile, se recomandă utilizarea oțelurilor de nitrurare [2, 4, 5, 8, 10, 16].
Oțelurile întrebuințate la confecționarea matrițelor de injectat trebuie să fie ușor prelucrabile. Calitatea suprafeței piesei injectate depinde, în primul rând, de calitatea suprafeței elementelor active ale matriței, fapt pentru care, cuibul și poansonul trebuie să se poată lustrui foarte bine, mai ales în cazul injectării materialelor plastice transparente. Din acest punct de vedere, oțelurile înalt aliate, respectiv oțelurile pentru cementare cu procentaj prea mare de carbon în stratul cementat, sunt neindicate, deoarece nu pot fi lustruite în condiții optime.
Complexitatea procesului tehnologic de fabricație a elementelor active ale matriței de injectat determină utilizarea în exclusivitate a oțelurilor de bună calitate, omogene, fără incluziuni, fisuri și pori, pentru a se evita apariția defectelor de suprafață.
În cazul injectării pieselor din PVC este necesară pentru confecționarea elementelor active, fie folosirea oțelurilor anticorozive (variantă costisitoare), fie se aplică cromarea dură pe suprafețele care vin in contact direct cu materialul [8, 10, 11, 12, 13].
Tipuri de oțeluri utilizate în confecționarea matrițelor de injectat
Oțelurile întrebuințate în mod curent la confecționarea diferitelor elemente componente ale matrițelor de injectat se pot grupa în: – oțeluri de uz general;
oțeluri pentru cementare;
oțeluri pentru nitrurare;
oțeluri pentru îmbunătățire;
oțeluri pentru călire; – oțeluri anticorozive.
Oțelurile de uz general, pentru construcții, STAS 500/2-86, sunt ușor prelucrabile prin așchiere, se sudează bine, au rezistență și tenacitate corespunzătoare. Tablele din aceste oțeluri se pot debita prin tăiere oxiacetilenică, fără ca marginile tăiate să se călească. Cel mai des sunt folosite mărcile: OL42, OL50 și OL60. Aceste oțeluri sunt utilizate pentru confecționarea reperelor care nu vin în contact cu materialul plastic și anume: placa intermediară, placa distanțieră, placa de prindere, șuruburi de fixare, prelungitoare, suporți, dopuri filetate etc.
Oțelurile pentru cementare au conținut redus de carbon (< 0,2%C) și o bună tenacitate. Prin cementare, în stratul superficial, pe o adâncime de (0,5÷1,3)mm se obține o creștere a conținutului de carbon până la (0,6÷0,9)%C. După călire și revenire joasă, stratul exterior poate avea duritatea de (58÷62) HRC și deci cu rezistență mare la uzură, păstrând în același timp tenacitatea în miez (duritatea poate fi de până la 300 HB). În construcția matrițelor de injectat se utilizează atât oțel carbon de calitate pentru cementare, OLC15 STAS 880-86, cât și oțelurile aliate pentru cementare: 18MC10, 15CN15, 21MoMC12, 20MoN35, 18MoCN13, 13CN30, STAS 791-86, mai ales pentru confecționarea coloanelor de ghidare, coloanelor înclinate, camelor, cârligelor dar și pentru confecționarea cuiburilor din pastilele fixate în plăcile de formare.
Mărcile 21TMC12, 28TMC12, 16CNW10 sunt utilizate la confecționarea cuiburilor pentru obținerea unor repere injectate cu toleranțe mici.
Oțeluri pentru nitrurare 33MoCr11 și 38MoCrAl0,9 STAS 791-80, se recomandă pentru confecționarea cuiburilor în care se injectează piese cu secțiuni variabile, de formă complicată și cu cerințe de precizie ridicate. După tratamentul termochimic de nitrurare, suprafața exterioară devine deosebit de dură (până la 1050HV) și foarte rezistentă la uzură, iar miezul, fiind inițial îmbunătățit, devine rezistent și tenace (duritatea este de (300÷370) HB). Se pot obține dimensiuni foarte precise. Piesa poate fi prelucrată la cotele finite înainte de tratamentul de nitrurare, deoarece tratamentul de nitrurare efectuându-se la temperaturi joase, deformațiile sunt practic eliminate. Grosimea stratului nitrurat poate fi ușor și precis reglată (< 0,3 mm ) și, datorită lipsei deformațiilor, rectificarea ulterioară nu este necesară.
În general, reperele confecționate din aceste oțeluri sunt lustruite după nitrurare pentru a se îndepărta stratul superficial format din oxizi. Oțelurile pentru nitrurare pot fi folosite, atât
Capitolul 12. Alegera materialelor pentru confecționarea matrițelor de injectat
pentru confecționarea plăcilor de formare directă de dimensiuni mai mari, cât și a cuiburilor prevăzute cu pastile. Se recomandă evitarea folosirii oțelurilor aliate cu aluminiu pentru confecționarea cuiburilor în care se injectează policarbonați deoarece rezultă o schimbare a culorii materialului.
Oțelurile pentru călire utilizate la confecționarea unor repere din componența matrițelor de injectat sunt oțelurile carbon pentru scule dar și oțelurile aliate pentru scule (reglementate de STAS 1700-86 și STAS 3611-86).
Cele mai utilizate mărci de oțel carbon de scule sunt: OSC6, OSC9, OSC10, OSC1l, OSC12. Aceste oțeluri au călibilităte mică, astfel încât, la grosimi (diametre) mai mari de 5mm duritatea scade brusc sub 60 HRC la (2÷4) mm distanță de suprafață. Sunt folosite la confecționarea unor repere cum ar fi: bucșe de conducere, bucșe de ghidare, aruncătoare tubulare, poansoane de dimensiuni mici. Nu se recomandă pentru execuția sculelor cu grosimi mai mari de (20÷25) mm.
Din categoria oțelurilor aliate pentru scule cu adâncime de călire mare, se folosesc mărcile: 90VMnl8, 200Cr120, 97MnCrW14. După tratamentul termic, aceste oțeluri conferă pieselor duritate superficială mare și în același timp tenacitate în miez. Sunt folosite pentru confecționarea plăcilor în care sunt practicate cuiburi adânci și de precizie ridicată, a știfturilor de aruncare și de centrare, a poansoanelor lungi etc.
Tabelul 12.1.
Oțeluri recomandate pentru confecționarea matrițelor de injectare
Oțelurile pentru îmbunătățire sunt utilizate datorită următoarelor avantaje: prelucrabilitate foarte bună, permit efectuarea de ajustări și remedieri fără complicații prea mari din punct de vedere tehnologic, probabilitatea redusă de apariție a deformărilor după tratamentul termic [8, 10, 16].
Oțelurile carbon de calitate pentru îmbunătățire cel mai des utilizate, sunt: OLC45, OLC55, OLC60. Acestea se folosesc la confecționarea următoarelor repere: plăci aruncătoare și portaruncătoare, plăci de formare în care se montează pastile sau poansoane, plăci tampon.
Oțelurile aliate pentru îmbunătățire se utilizează pentru confecționarea reperelor puternic solicitate deoarece după călire și revenire înaltă capătă rezistență la uzură, sunt tenace iar duritatea are valori de (300÷400) HB. Mărcile utilizate frecvent sunt: 41MoCr11, 40Cr10 și 50VCr11.
Oțelurile anticorozive, STAS 3583-86, se utilizează pentru confecționarea pastilelor, a poansoanelor, a plăcilor de formare și a bacurilor în cazul injectării de materiale plastice (de exemplu PVC) cu acțiune corozivă. Deoarece prețul acestor oțeluri este ridicat, utilizarea lor este justificată numai atunci când, datorită configurației cuiburilor, nu se poate executa cromarea dură a suprafețelor.
Cromul, în proporție de minimum 12%, este principalul element de aliere care asigură stabilitatea la coroziune. Mărcile de oțel anticoroziv cele mai utilizate sunt: 20Cr130 și 40Cr130.
În tabelul 12.1 sunt prezentate câteva recomandări cu privire la alegerea mărcilor de oțeluri pentru confecționarea diferitelor elemente componente ale matrițelor de injectat materiale plastice.
CONDIȚII TEHNICE DE EXECUȚIE A MATRIȚELOR DE INJECTAT
Elementele componente ale matrițelor de injectat se prelucrează în majoritatea cazurilor prin operații de așchiere (strunjire, frezare, rabotare, găurire, rectificare etc.) iar ajustarea se face manual. O problemă deosebit de importantă o constituie, în afară de executarea ireproșabilă a elementelor active, asamblarea corectă a matrițelor de injectat. Asamblarea trebuie să asigure fixarea rigidă în poziție reciproc corectă a elementelor fixe, centrarea plăcilor de prindere pe platourile de prindere ale mașinii, conducerea perfectă a celor două semimatrițe, funcționarea fără defecțiuni a sistemului de aruncare etc. [5, 11, 12]. Condițiile de funcționare ale matriței sunt cele care determină caracterul asamblării. Toleranțele impuse dimensiunilor reperelor matriței de injectat sunt astfel stabilite încât între elementele conjugate să existe în funcție de cerințe, asamblare cu joc sau cu strângere. În etapa de proiectare trebuie să se aibă în vedere, ca elementele care vin în contact cu materialul plastic și elementele supuse uzurii să poată face parte din subansamble demontabile. Asamblarea demontabilă oferă posibilitatea prelucrării individuale a tuturor elementelor componente ale matriței și demontării lor în caz de necesitate, fără deteriorare, aceasta constituind un avantaj în cazul în care se impune schimbarea unor elemente din diferite motive. Fixarea plăcilor matriței de injectat se face cu ajutorul șuruburilor cu cap cilindric și locaș hexagonal. Dimensiunile și numărul șuruburilor folosite pentru strângerea plăcilor matrițelor de dimensiuni mici și medii se stabilesc pe baza unor criterii constructive iar pentru cele de dimensiuni mari în urma efectuării unor calcule de rezistență.
Fig. 13.1. Ajustaj recomandat pentru poziționarea și fixarea plăcilor unei matrițe de injectat
Pentru poziționarea plăcilor matriței se folosesc de cele mai multe ori știfturi cilindrice, poziționate fie câte două, așezate pe diagonală (mai ales în partea dinspre duza matriței) fie câte patru (mai ales în pachetul mobil). Alezajele pentru știfturi sunt tolerate în câmpul H7, formând un ajustaj cu strângere mică (fig. 13.1). Este de preferat ca alezajele să fie străpunse. În caz contrar, în partea obturată se poate practica un alezaj care să permită evacuarea aerului și extragerea cu mai mare ușurință a știftului [7, 8].
Alegerea locului șuruburilor și știfturilor pentru fixarea și centrarea plăcilor matriței pe aceeași linie cu coloanele și bucșele de ghidare, permite folosirea rațională a suprafeței plăcilor matriței în vederea amplasării cuiburilor și a orificiilor de răcire [1, 2, 3, 4, 11].
Coloanele și bucșele de ghidare ale matriței de injectat trebuie să aibă rigiditate mare, precizie dimensională ridicată și rezistență la uzură. Abaterea de la coaxialitate a bucșei și coloanei de ghidare nu trebuie să depășească (0,012÷0,016) mm [2, 10, 11].
Fig. 13.2. Ajustaje recomandate pentru elemente de centrare și de conducere: a – coloană, bucșă de ghidare și de centrare; b – ajustaj coloană și bucșă de ghidare.
În figura 13.2 se prezintă cazul în care centrarea plăcilor matriței facându-se cu știfturi cilindrice, coloanele și bucșele de ghidare se fixează în placa de formare, respectiv în placa portpoanson. Coloanele și bucșele de ghidare se montează în plăcile matriței cu ajustaj intermediar H7/k6.
Fig. 13.3. Ajustaje recomandate pentru elementele sistemului de aruncare: a – tijă de aruncare – bucșă de conducere – placă de prindere; b – aruncător – bucșă centrală – placă; c – aruncător – placă de formare; d – știft readucător – știft tampon în plăci.
Capitolul 13. Condiții tehnice de execuție a matrițelor de injectat
În figura 13.2,a, sunt prezentate ajustajele recomandate pentru varianta constructivă în care centrarea și conducerea matriței se face pe aceeași axă, situație în care toate plăcile se prelucrează în pachet, într-o singură prindere.
Ajustajele recomandate la asamblarea elementelor sistemului de aruncare al matrițelor de injectat sunt prezentate în figura 13.3.
Lungimile recomandate ale aruncătoarelor în raport cu diametrul lor sunt:
d = (1÷3) mm, L = (4÷8) d; d = (3÷5) mm, L = (3÷4) d; (13.1) d = peste 5 mm, L = (2,5÷3) d.
Pastilele, în care sunt executate practic cuiburile matrițelor, sunt prevăzute cu umeri și se fixează în plăcile de formare cu șuruburi sau prin ștemuire.
Fig. 13.4. Ajustaj recomandat pentru coloana înclinată folosită la ghidarea bacului
În figura 13.4, se prezintă ajustajul cu strângere recomandat la montajul coloanelor înclinate folosite la matrițele de injectat cu bacuri în placa matriței.
Pentru a se asigura montarea și demontarea ușoară, pastilele se montează în plăcile
Fig. 13.5. Ajustaj recomandat pentru montarea pastilelor Fig. 13.6. Ajustaje recomandate pentru
duza matriței și pentru inelul de centrare
Inelul de centrare a semimatriței fixe se montează cu joc în placa de prindere și se fixează cu șuruburi iar duza se montează în placa de formare cu strângerea și se asigură împotriva rotirii (fig. 13.6).
Stabilirea corectă a ajustajelor pentru diferite subansamble determină funcționarea optimă și cu uzură minimă a matrițelor de injectat materiale plastice [5, 6, 11, 13, 14].
PROIECTAREA MATRIȚELOR PENTRU INJECTAREA
Generalități
Prin injectare în matrițe se prelucrează 32% din volumul total al materialelor plastice produse de industria mondială. În figura 16.1 este prezentat procesul de injectare ca un important proces de prelucrare a materialelor plastice care, însoțit de un management eficient, poate conduce la obținerea unor produse cu cerere mare pe piețele de desfacere.
Fig. 16.1. Drumul parcurs de un produs de la faza de concepție și până la apariția pe piață
Etapele proiectării matrițelor de injectat sunt prezentate schematizat în figura 16.2.
Fig. 16.2. Etapele proiectării unei matrițe pentru injectare
Factorii care caracterizează mașina de injectat sunt următorii:
cantitatea de material pe care o poate plastifia mașina de injectat în unitatea de timp; – cantitatea de material pe care o injectează mașina;
presiunea maximă de injectare;
forța de închidere a mașinii necesară compensării forței care ia naștere în cuibul matriței la presiunea maximă;
suprafața maximă a platoului mașinii dată de distanța dintre coloane.
Factorii care determină mărimea matriței sunt:
mărimea piesei;
numărul de cuiburi;
forța de închidere a matriței;
aria maximă de montare;
cursa maximă de deschidere a matriței.
Calculul duratei totale a ciclului de injectare
Productivitatea mașinii de injectare și eficiența economică a întregului agregat este esențial determinată de capacitatea de plastifiere-injectare a materialului plastic și de durata totală a operațiilor ce se petrec în matriță. Aceste operații se regăsesc, cu ponderi diferite, în valoarea parametrului denumit, durata ciclului total de injectare în matriță.
Durata ciclului total de injectare este formată din duratele proceselor tehnologice legate de obținerea unei piese finite.
Succesiunea stadiilor ce formează ciclul total rezultă din figura 2.8 (vezi cap. 2), și anume :
umplerea matriței (injectarea propriu-zisă) sau perioada t0- t1;
postinjectarea, t1- t2;
răcirea piesei, t2- t4;
evacuarea produsului, după depășirea lui t4.
Fig. 16.3. Fazele ciclui de injectare:
închiderea și zăvorârea matriței;
apropierea agregatului de plastifiere de matriță;
injectarea materialului plastic;
postinjectare;
retragerea agregatului de plastifiere;
plastifierea materialului pentru injectarea următoare;
răcirea materialului plastic în matriță;
deblocarea și deschiderea matriței;
demularea piesei injectate.
În intervalul de timp t0 – t4 și după t4 , mașina de injectat execută și alte operații auxiliare, de natură mecanică, cum ar fi:
închiderea matriței;
deplasarea cilindrului de injectare;
retragerea melcului și plastifierea materialului plastic; – deschiderea matriței.
Succesiunea acestor operații în timp este prezentată în figura 16.3, iar ponderea lor în valoarea totală a ciclului de injectare este schematizată în figura 16.4.
Fig. 16.4. Ponderea timpilor operațiilor care compun ciclul formării prin injectare
(100%) în cazul polietilenei
Pentru simplificarea calculelor, numărul operațiilor se restrânge la trei astfel încât
tT = tu + tr + tp , (16.1)
unde:
tT este timpul total (durata ciclului de injectare); tu – timpul de umplere;
tr – timpul de răcire (incluzînd stadiul de compresie, răcire și postinjectare); tp – timpul pentru pauză.
Timpul de umplere sau de injectare
Timpul de injectare este timpul necesar pentru umplerea matriței. Procesul de umplere este dependendent de viteza de injectare determinată ca fiind raportul dintre cantitatea de material injectat și timpul de injectare. Viteza de injectare exprimă relația complexă între configurația geometrică a canalului de curgere și timpul de injectare. Relația duce la determinarea presiunii de injectare care este o mărime dependentă și nu una care poate fi aleasă arbitrar.
Viteza de injectare influențează direct calitatea pieselor injectate astfel încât la valori mari apar degradări termice ale materialului iar la valori mici se produc tensiuni interne în piesă, matrița se umple incomplet, îmbinările în semimatrițe se realizează necorespunzător, materialul plastic are o capacitate redusă de compactizare, ceea ce duce în final la contracție termică mare [13, 17, 18].
Dezavantajele ce rezultă la injectarea cu viteze mici pot fi atenuate de o capacitate de curgere mai bună a materialului, capacitate ce se realizează pe seama temperaturii de lucru. Temperatura este însă limitată superior de stabilitatea termică a materialului și de timpul de răcire necesar solidificării materialului în matriță.
Optimizarea ansamblului de parametri: temperatura de curgere, timpul și presiunea de injectare determină stabilirea vitezei optime de injectare care conduce în final la eficiență și calitate superioară a produsului finit.
Determinarea timpului de injectare
Determinarea analitică a timpului de injectare se face prin diferite metode de calcul. Una dintre metode stabilește o relație între presiunea și timpul de injectare, la un volum stabilit de material plastic, pe baza unor valori măsurate. Relația finală arată că vitezele de injectare ating o valoare limită dincolo de care nu mai este posibilă o scurtare a timpului de injectare. Dacă metoda se aplică și în cazul în care variază temperatura, rezultă, în final, valoarea presiunii maxime de injectare.
Timpul de injectare se poate determina și din considerente termodinamice. Astfel, în timpul procesului de injectare, materialului i se transmite un lucru mecanic numit lucru mecanic de injectare, care determină o creștere a temperaturii.
Dacă materialul plastic se află la începutul procesului de injectare la o temperatură corespunzătoare unei deformări optime, timpul de injectare optim poate fi definit ca timpul necesar compensării creșterii temperaturii ca urmare a lucrului mecanic de injectare. Compensarea creșterii temperaturii se face prin răcirea matriței, astfel încît starea de deformare a materialului va fi egală la începutul și la sfârșitul procesului de injectare [14, 16, 19].
Lucrul mecanic produs la deformare se determină ca fiind
E⋅t
W1 = − [J], (16.2) 427
unde:
W1 este lucrul mecanic de deformare măsurat pe mașina de injectare (se reprezintă grafic ca o diagramă forță-deplasare), în [J];
E- energia consumată pe un element de volum, în [daN·cm/s2]; t – timpul de injectare, în [s].
Căldura transmisă unității de volum a materialului, în cursul injectării, se determină cu relația
W2 = Δt ⋅ρ⋅c [J/cm3], (16.3)
unde:
W2 este căldura transmisă unității de volum a polimerului, în [J/cm3];
Δt – variația temperaturii unei unități de volum supusă injectării, în [°C/g] c – căldura specifică, în [J/cm3·°C]; ρ – densitatea materialului, în [g/cm3].
Pentru W1 = W2 rezultă
E⋅t
Δt ⋅ρ⋅c = − . (16.4) 427
Relația (16.4) permite calculul timpului de injectare t , în care este inclus și timpul de răcire, dacă se cunosc ceilalți termeni.
Timpul de răcire
Timpul de răcire se determină analitic, în ipoteza răcirii pe ambele fețe a unei plăci plane de grosime constantă, fără convecție, în cavitatea matriței și cu neglijarea efectelor marginale. Considerând că temperatura Ts este aceeași în toată masa topiturii, timpul de răcire se determină cu relația
δ2 ⎡4 Ts − Tp ⎤
tr = π2a ⋅ln⎢⎢⎣ π ⋅ Tr − Tp ⎥⎥⎦ . (16.5)
Calculul timpului de răcire tr se poate face și din bilanțul termic al matriței conform căruia, faza de răcire depinde de:
evacuarea căldurii prin agentul de răcire, în funcție de debitul și caracteristicile agentului;
transmisia căldurii de la matriță la platourile mașinii de injectare și de aici în atmosferă ;
cantitatea de căldură adusă în matriță de materialul plastic injectat.
Cantitatea necesară de agent de răcire (Q = m⋅c⋅ΔT ) se determină pentru ΔT = (3÷5)°C.
Calculul conducției termice de la materialul plastic la aer (în momentul contracției materialului plastic) se determină ca fiind
A
Q = λ⋅ ⋅ΔT[J/s], (16.6) d
unde:
A este aria suprafeței părții din piesă cu grosimea cea mai mare a peretelui, în [m2]; λ – coeficientul de conductibilitate termică a aerului, în [J/m °C];
d – grosimea stratului de aer, în [m];
ΔT – diferența dintre temperatura de intrare a polimerului și a suprafeței matriței, în [oC].
Aceeași relație este folosită și la calculul conductibilității termice de la suprafața piesei la suprafața metalică a cuibului matriței, iar în acest caz:
λ este coeficientul de conductibilitate termică de la oțel la polimer;
d – distanța de la suprafața piesei la traseul de răcire;
ΔT – diferența de temperatură între suprafața cuibului matriței și cea a agentului de răcire.
Cantitatea de căldură transportată de materialul plastic injectat din agregatul de plastifiere – injectare depinde de temperatura materialului plastic și de entalpia acestuia. În figura 3.36 (vezi cap. 3) este prezentată variația entalpiei cu temperatura pentru diferite materiale plastice. Cantitatea de căldură care trebuie să fie evacuată din matriță este cea corespunzătoare spațiului HiHr −TrTi . Timpul de răcire tr , pornind de la căldura ce trebuie evacuată (relația 16.6) corespunzătoare entalpiei din figura 3.36, se calculează cu relația [1, 16]
Q⋅d
tr = [s], (16.7)
λ⋅A⋅ΔT
unde:
λ este coeficientul de conductibilitate termică a materialului plastic;
ΔT este diferența de temperatură între materialul plastic și agentul termic.
Timpul pentru pauză
Timpul total de injectare se compune conform figurilor 16.3 și 16.4, din timpii necesari executării unor operații mecanice și din timpi auxiliari. Ciclul de injectare al unei mașini ce funcționează în regim automat se descompune în cele nouă faze prezentate în figura 16.3. Fazele (1 – 2) și (5 – 8) se suprapun în timp; însumarea duratei lor formează timpul pentru pauză tp , care este o constantă a mașinii (indicată de constructor). În mărimea lui tp se includ: închiderea și zăvorârea matriței, apropierea grupului de injectare, retragerea grupului de injectare, deblocarea, deschiderea matriței și ejectarea produselor finite.
Timpul pentru pauză se indică de obicei prin numărul maxim de cicluri în gol, pe minut, cu indicarea maximului și minimului cursei și prin durata unui ciclu [16, 23, 24, 27].
Durata totală a ciclului
Timpul total de injectare se determină cu relația (16.1).
Exemplu de calcul: se consideră o mașină de injectare cu melc-piston, cu diametrul melcului de 65mm. Reperul injectat este din PMMA (polimetacrilat de metil ρ =1,18 g/cm), are 205 g și înalțimea de 72 mm, cursa platoului minimă, reculul agregatului de plastifiere are loc la fiecare ciclu, matrița se răcește cu apă la temperatura de intrare de 15oC. Caracteristicile mașinii sunt:
ciclul în gol, cu cursă minimă a platanului,tp = 5 s;
viteza de deplasare a materialului q1 =163 cm3/s. Timpul de injectare se calculează cu relația
V
ti = [s], (16.8) q1
unde:
q1 este cantitatea de polimer deplasat într-o secundă, în [cm3/s];
V – volumul piesei injectate, în [cm3].
Pentru exemplul analizat, timpul de injectare ti , conform relației (16.8) este
ti s.
Timpul de menținere a presiunii în matriță se stabilește la valoarea de 3 secunde prin comparație cu injectarea unor piese asemănătoare. Timpul de răcire se alege prin observarea injectării unor piese asemănătoare; valoarea aleasă este de 18 secunde. Timpul total de injectare devine astfel
tT = 5+1,065+18 + 3 = 27,065s,
ceea ce corespunde unei producții orare de 133 piese sau 27,26 kg/h.
Determinarea numărului de cuiburi
Numărul de cuiburi al matriței de injectat se determină, în majoritatea cazurilor, în funcție de dimensiunile piesei care se dorește a fi obținută prin injectare și capacitatea de injectare a mașinii pentru care se proiectează matrița
După calculul numărului de cuiburi trebuie să se verifice dacă forța de închidere a mașinii de injectat, rezultată ca forță reactivă la forța care ia naștere în interiorul matriței, este suficient de mare.
Numărul de cuiburi se poate determina și în urma efectuării unui calculul economic, prin care se urmărește stabilirea numărului de cuiburi pentru care creșterea cheltuielilor de execuție se justifică prin sporul de producție obținut pe seama măririi numărului de cuiburi. Numărul economic de cuiburi, ne se determină cu relația
ne = N⋅t T ⋅K [buc],
60⋅C
unde:
N este numărul de piese care urmează a fi fabricate, în [buc]; tT – durata completă a ciclului de injectare, în [min];
K – retribuția orară a operatorului, inclusiv impozit și cheltuielile comune ale secției de fabricație, în [lei/oră];
C – costul execuției unui cuib, în [lei].
Dimensionarea cuiburilor în funcție de contracția materialelor plastice
Dimensiunile elementelor active trebuie să asigure dimensiunile prescrise ale piesei injectate, după răcirea ei completă.
Pentru a se evita apariția rebuturilor este necesar ca dimensionarea elementelor active ale matriței de injectat să se facă în strânsă concordanță cu toleranțele prescrise pentru dimensiunile respective ale piesei, având în vedere și mărimea contracției piesei.
Fenomenul de contracție se manifestă prin aceea că, dimensiunile piesei, măsurate după (12÷24) ore de la injectare sunt mai mici decât dimensiunile corespunzătoare ale elementelor active (cuiburi și poansoane) ale matriței, chiar în situația în care construcția tehnologică a matriței de injectat este corectă, mașina de injectare este în bună stare de funcționare și corect reglată, iar parametrii tehnologici de injectare sunt corect stabiliți și respectați întocmai în exploatare.
Valorile teoretice ale contracțiilor, în procente, pentru materialele plastice întrebuințate în mod curent la injectarea produselor sunt prezentate în tabelul 16.2.
Dacă se notează o dimensiune nominală a unei piese cu h și toleranța ei cu (±δ), dimensiunea efectivă a piesei va fi (h±δ). Similar, notând dimensiunea nominală corespondendă a cuibului cu H și toleranța ei cu (±Δ), dimensiunea efectivă a cuibului va fi (H±Δ). Dimensiunea maximă a piesei (h+δ) se va realiza cu dimensiunea maximă a cuibului (H+Δ) atunci când contracția este minimă (Cmin) respectiv, dimensiunea minimă a piesei (h–δ) va rezulta cu dimensiunea minimă a cuibului (H–Δ) atunci când contracția este maximă
(Cmax) [15, 23, 24, 27].
Conform reprezentării din figura 16.5, pot fi scrise ecuațiile:
(H + Δ) −(H + Δ)⋅Cmin = h + δ;
(H − Δ) −(H − Δ)⋅Cmax = h − δ.
Fig. 16.5. Dimensiuni nominale și toleranțe ale piesei injectate și ale cuibului
Dacă se adună și se scad ecuațiile 16.11 neglijând termenii cu valori foarte mici
(Δ·Cmin și Δ·Cmax) și introducând noțiunea de contracție medie exprimată prin relația
Analizând expresia (16.14) se poate concluziona că piesele injectate se pot realiza cu o precizie dimensională ridicată numai din materiale plastice care au contracții mici și pentru care dispersia contracției variază în limite strânse.
Toleranța calculată cu ajutorul relației (16.14) este valabilă pentru piesele realizate în matrițe cu părți active fixe.
Dacă piesa injectată se realizează în matrițe cu părți active mobile, (de exemplu cu bacuri), trebuie să se țină seama de ajustajul părților mobile și de mărimea uzurii previzibile iar dimensiunea care trebuie indicată pe desenul matriței este H± (0,5÷0,6) mm.
16.5. Determinarea mărimii forței de închidere a matriței
Forța interioară maximă de injectare (fig. 16.6) se determină cu relația
Fmax = pi ⋅Aefpr [daN],
unde:
pi este presiunea topiturii în matriță (presiunea interioară), în [daN/cm2];
Aefpr – aria efectivă a proiecției piesei injectate și a rețelei de injectare pe planul de separație al matriței, în [cm2].
Conform datelor experimentale [3, 4, 23, 27] valoarea presiunii interioare din cuibul matriței, (presiunea exterioară a mașinii de injectat, din care s-au scăzut pierderile de presiune la trecerea prin duză și canalele de injectare), poate fi dedusă din valoarea presiunii exterioare cu relația
pi = (0,4 ÷0,6)⋅pe [daN/cm2],
unde pe este presiunea exterioară a mașinii de injectat (tab. 16.3).
Forța interioară maximă de injectare se determină din relațiile (16.15) și (16.16) ca fiind
Fmax = (0,4 ÷0,6)⋅pe ⋅Aefpr [daN].
Forța de închidere a matriței de injectat, Fi se determină cu relația
Fi = (1,1÷1,2)⋅Fmax [daN].
Fmax – forța interioară maximă de injectare; Fi – forța de închidere a matriței; Aefp – aria efectivă proiectată pe planul de separație al matriței.
Tabelul 16.3.
Valorile presiunii exterioare de injectare a mașinii pentru tipurile uzuale de materiale plastice [23]
Verificarea suprafețelor de închidere ale plăcilor de formare
Această verificare se efectuează în cazul în care aria suprafeței frontale a cuibului, sau a cuiburilor, este mare în raport cu aria suprafeței totale a plăcii de formare.
Aria efectivă a suprafeței totale a plăcii de formare se determină ca fiind
AefSt = Aefpr + AefSi [cm2],
astfel încât aria suprafeței de închidere va fi
AefSi = AefSt − Aefpr [cm2],
unde:
AefSt este aria efectivă a suprafeței totale a plăcii de formare, în [cm2];
Aefpr – aria efectivă a proiecției piesei injectate, sau a pieselor și a rețelei de injectare pe planul de separație al matriței, în [cm2];
AefSi – aria efectivă a suprafeței de închidere, în [cm2].
Aria suprafeței de închidere se determină ca fiind
F i [cm2], (16.21) ASi = σa
unde:
ASi este suprafața de închidere necesară, în [cm2];
Fi – forța de închidere a matriței de injectat (vezi relația 16.18), în [daN]; σa – rezistența admisibilă a oțelului din care este confecționată placa de formare, în
[daN/cm2].
Aria suprafeței de închidere efectivă AefSi trebuie să fie mai mare decât suprafața de închidere necesară calculată cu relația (16.21)
AefSi > ASi .
TEHNOLOGIA DE EXECUȚIE A MATRIȚELOR
Principii de bază
La execuția matrițelor de injectat se pot folosi diferite procedee: debitarea semifabricatelor, prelucrări prin așchiere, electroeroziunea, presare la rece, forjare. La fabricarea prin forjare există o regulă esențiala dă urmat și anume ca fibrele să fie perpendiculare pe direcția principală a solicitărilor. Pentru a face față presiunilor mari și schimbărilor dese de temperatură la care sunt supuse, matrițele pentru injecție, formare la cald și extruziune, din metale sunt fabricate ȋn principal din material forjate.
Tratamentele care se pot efectua asupra materialului se pot grupa ȋn principal ȋn 2 grupe:
– tratamente volumice – care influențează proprietățile ȋn tot volumul materialului, acestea includ : normalizare, recoacere, detensionare, călire și revenire
– tratamente de suprafața – care modifică doar proprietățile stratului superficial, acestea include: nitrurarea, carburarea, oxidarea. Se pot face și placări sau depuneri cu materiale: cromarea, nichelarea, depunderea PVD sau CVD.
Ciclul de producție începe cu deșeuri selectate, care sunt apoi retopite ȋntr-un cuptor cu arc electric și degazate ȋn vacuum ȋntr-un cuptor de turnare. Procesul produce lingouri poligonale sau rotunde pentru a fii retopite dinou pentru a face lingouri pentru forjare. Ultima operație, cea de forjare se face ȋn condiții speciale și dă produsului proprietăți mecanice aproape identice ȋn toate direcțiile (longitudinal, transversal și radial).
Ciclul tehnologic de elaborare și producere a semifabricatelor.
Prelucrări prin așchiere
Elementele componente ale matrițelor de injectat sunt supuse la diferite operații de prelucrare prin așchiere: găurire, strunjire, rabotare, frezare, alezare, rectificare. Găurirea, lărgirea și alezarea, la o matriță de injectat se prelucrează ȋn pachetul de plăci prin găurire numeroase orificii: șuruburi de strângere, știfturi de centrare, știfturi readucătoare și știfturi tampon, aruncătoare, circuitul de temperare, coloane și bucșe de ghidare, etc. Problemele legate de prelucrarea găurilor devin dificile datorită faptului că construcția matriței implică ȋn același timp precizie ȋnaltă și adâncimi mari pentru găuri. Dacă adâncimea de găurire este aproximativ de cinci ori mai mare decât diametrul găurii, apar dificultăți tehnologice care necesită scule speciale și tehnologie corespunzătoare. Sculele convenționale deviază ușor din direcția corectă a găurilor, din cauza stabilității lor reduse, iar uzura fețelor creează dificultăți, provocând frânarea sculei, ceea ce duce la ruperea ei. Operațiile de găurire, adâncire, lamare, alezare se pot realiza pe mașini de găurit (de masa cu coloana, cu montant, ȋn coordonate) sau manual.
Frezarea este operația de prelucrat mecanic prin așchiere cu foarte mare pondere ȋn domeniul confecționării matrițelor de injectat. Pe mașinile de frezat se pot executa o gamă foarte mare de lucrări: prelucrarea suprafețelor plane, prelucrarea canalelor, prelucrarea suprafețelor profilate, prelucrarea roților dințate. Operațiile de frezare se execută pe mașini de frezat normale și pe mașini de frezat speciale. Ȋn atelierele de execuție a matrițelor de injectat, cea mai folosită mașina unealtă este mașina de frezat de sculărie. La prelucrarea suprafețelor prin frezare se folosesc: freze cilindrice, freze cilindro-frontale, freze disc, freze unghiulare, freze profilate, etc. Frezarea suprafețelor verticale se poate realiza atât la mașini de frezat orizontale cât și la cele verticale. Ȋn general, ȋntre suprafețele orizontale și cele verticale nu există o deosebire esențială din punct de vedere a frezării, ele putându-se transforma ușor una ȋn alta atunci când este cazul. Suprafețele ȋnclinate se pot prelucra prin mai multe metode pe mașinile de frezat orizontal sau vertical. Retezarea pieselor pe mașinile de frezat se execută rar ȋn cazurile ȋn care se cere retezarea precisă a unor piese ce au avut prelucrări anterioare. Pentru retezare se folosesc freze disc foarte subțiri numite freze ferăstrău, care lucrează numai pe fața cilindrică. Pentru piesele mici sau pentru executarea unui număr mai mare de piese se folosește rectificarea suprafețelor profilate cu pietre abrazive speciale, al căror contur este același cu al piesei cu care se prelucrează. Precizia pieselor realizate cu această metodă depinde, ȋn primul rând, de exactitatea cu care se execută profilarea piesei.
Șlefuirea: ȋn urma prelucrării prin așchiere suprafețele pieselor rămân cu asperități a căror forme și dimensiuni depind de felul prelucrării și de materialul din care se execută piesa. Pentru a ȋndepărta asperitățile, realizându-se o calitate superioară a suprafețelor prelucrate, se folosește operația de șlefuire. Șlefuirea este operația de prelucrare a suprafețelor cu granule abrazive fixate cu adeziv pe periferia unor discuri, prisme, lame, suport de hârtie sau pânză, obținându-se rugozități cuprinse ȋntre 0,8 … 0,018 μm. Șlefuirea se poate face manual sau cu mașina, sculele pentru șlefuirea manuală sunt ȋn formă de lame, bare, prisme și sunt confecționate din metale cu diferite durități, lemn, materiale sintetice. Sculele pentru șlefuirea cu mașina se prezintă sub formă de discuri si perii confecționate din pâslă. Agentul abraziv cel mai des folosit la șlefuire este pasta de diamant. Ȋn operația de șlefuire sunt necesare respectarea următoarelor condiții:
– operația se execută ȋn spații fără praf și curenți. Particulele de praf pot impurifica agentul de șlefuire și pot compromite suprafața șlefuită;
– fiecare sculă de șlefuit trebuie să fie utilizată pentru o singură dimensiune de granulă cuprinsă ȋn pastă;
– sculele de șlefuit se impregnează treptat ȋn pasta de polizat; la șlefuirea manuală pasta se depune pe scula de șlefuit, iar la șlefuirea cu mașina pe piesa de șlefuit;
– cu cât este mai mică dimensiunea granulei abrazive cu atât mai mică este cantitatea de lichid necesar pentru diluare;
– presiunea de șlefuire trebuie să fie adaptată la duritatea sculei de șlefuit și dimensiunea granulei abrazive cuprinsă ȋn pastă;
– ȋndepărtarea unui strat mai mare de material necesită scule dure de șlefuit și pastă de granulație mare;
– șlefuirea finală a cuiburilor matriței, canalelor, duzelor, etc. trebuie să se facă pe direcția de curgere a materialului plastic sau pe direcția de aruncare.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Principiul Injectarii Materialelor (ID: 163013)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.